プリント基板の基礎入門

鉛フリーはんだの種類

鉛フリー実装に対応する場合には、当然、どのはんだを選定するかは最初にお考えになることでしょう。

鉛の存在が問題なので、鉛を使わなければ良いのですが、従来の錫(Sn)-鉛(Pb)はんだは、資源として豊富で、融点が低く加工が容易な上に軟らかいことから基板との接合後に応力がかかってもそれを分散するというスグレモノでした。環境問題への影響さえなければ、先人の知恵には脱帽するしかありません。

まずは、Sn-Pbに置き換わる資格を持つために求められる特性をまとめてみました。

環境にやさしいこと
基板と部品の接合強度を十分に保つことができるもの
電気的な特性に優れるもの
低コストで継続的に安定供給が可能なもの
工程管理が容易なもの（融点・経時変化など）
高密度配線の基板に使えるもの

加えて

従来設備が使える
部品の耐熱特性を満足するもの

などがクリアできれば文句はありませんが、この2項目はなかなか難しいようです。

そんな錫-鉛はんだに代わるものを見つけることが難しく、今はいくつかのはんだが代替品として提案されています。

大きく分けてみると

高温系
中温系
低温系

の3種類に分類されます。

それぞれのはんだを少し細かく説明すると、高温系のはんだには、錫(Sn)- 銅(Cu)や錫(Sn)-銀(Ag)-銅(Cu)などが挙げられます。Sn-Cuはもっとも融点が高く、部品に直接熱ストレスが加わらないフローはんだの実装用に使われています。Sn-0.7Cuで融点が230℃近くになるものの、濡れ性も良好でコストもSn-Pbはんだとあまり変わりません。

しかし、このはんだには、「はんだ食われ」のリスクがあります。これは、はんだ槽内側の金属が液状のはんだに溶け出す現象のことです。「溶食現象」と呼ばれ、固体金属が液体金属に溶け出す作用を指し、その速度は液体金属の温度とSnの濃度にも比例します。従来の、sus304 の槽では、ひどい場合には、1ヶ月も持たずにはんだ槽の内部に穴があいてしまうこともあるそうです。そのため、sus304 をsus316 に変更したり、sus316＋窒化処理を施した槽に変更したりお金がかかります。

次に、Sn-Ag-Cu は、Sn-Cuより若干融点が低く、何よりも、JEITAの推奨はんだになっていることもあり、最近ではもっとも一般的に使用されています。融点は220℃強で、当社が鉛フリーはんだでの実装を承る場合には、ほとんどがこのはんだを指定されています。機械的な強度が大きくクリープ変形もあまりありません。耐熱特性にも優れており、熱ストレスにも強い特長があります。コストが高いデメリットはあるにしても、有望な代替品のひとつです。ただし、これもまだ業界標準という訳ではなく、海外では銀の含有量の多いものも研究されているようです。

中温系のはんだには、Sn-Zn（亜鉛）系が挙げられます。Sn-9Znの融点は199℃でSn-Pb系のはんだに近く、機械的強度に優れ、クリープ変形も少ない上に資源の制約もありません。しかし、このはんだのデメリットは、Znが酸化しやすいため、はんだペーストの経時変化が大きく、はんだの濡れ性も悪くなります。つまり、リフロー時の温度プロファイルの管理がむずかしくなります。

最後に低温系のはんだは、Sn-Bi(ビスマス)系のはんだが挙げられます。これは、前出のはんだの濡れ性を向上させることを主眼に使われたはんだです。Sn -58Biは、融点が138℃と低く濡れ性がよいため、パソコンなどに使われていましたが、硬くて脆い上に部品の端子に鉛が存在すると、Sn-Bi-Pbの合金を形成して、リフトオフを引き起こす要因にもなります。

鉛フリーってどういうこと？

鉛フリーってどういうこと?

鉛フリー実装といって鉛の入っていないはんだを使ったところで、実装した部品に鉛が含まれていれば何にもなりません。

しかし、プリント回路板から100%鉛を取り去ることは、現状では現実的にはほぼ不可能に近い状況です。

そこで、JEITA（電子情報技術産業協会）では、機器と部品のカテゴリーで鉛フリー化の区分を設けています。

	機器	部品
Phase 1	鉛フリーはんだ機器Ａボード実装の段階で、基板表面処理・はんだ印刷・はんだ浴などに鉛入りはんだを使用しない。実装する部品の接合部分及び部品内部ならびに構成材料などに鉛が含まれていてもよい。	鉛フリーはんだ対応部品鉛フリーはんだ実装に対応するはんだ耐熱性があるもの
Phase 1A	記載なし	鉛フリーはんだ部品ボード実装の段階で、基板表面処理・はんだ印刷・はんだ浴などに鉛入りはんだを使用していない。実装する部品の接合部分および部品内部に鉛が含まれていても良い。
Phase 2	鉛フリーはんだ機器Ｂボード実装の段階で、基板表面処理・はんだ印刷はんだ浴等に鉛入りはんだを使用していない。かつ、実装する部品の接合部分に鉛が含まれていいない。部品内部及び構成材料などに鉛が含まれていてもよい。	鉛フリー端子部品部品の基板などへの取り付け端子部のめっき・電極に鉛を含まない。部品の構成部品・材料に鉛が含まれていてもよい。
Phase 3	鉛フリー機器鉛フリーはんだ機器の定義に加え、構成部品・材料にも鉛を含まない。	鉛フリー部品内部接続及び/又は構成部品・材料を含めて鉛を含まない。

この表をご覧頂いてわかるのは、鉛フリー=鉛の全廃を意味するものではないということです。

鉛の削減にあたっては、セットメーカーから実装会社、部品メーカー、開発会社まで、多くの会社の協力体制が必要で、鉛フリー=鉛の全廃と杓子定規に規定してしまうことができません。そのため、上の表のように段階的に対応を進捗させてゆくことになったのです。

たとえば、セットメーカーが鉛フリーの製品を作ろうとしても、部品の内部（リードや端子）などに鉛が含まれていれば意味がありません。現在、対応を進めるにあたり、各社で対応が進んでいるのはPHASE1が主流です。部品各社の取組みによって、PHASE2への移行が進みつつありますが、電子部品の内部に使われる鉛の廃止は、セットメーカーの努力だけでは達成できず、部品メーカーの対応度合いがポイントになります。

しかし、部品メーカー側の対応を待っていては何も進みません。そこで、まずできることは、実装用のはんだを鉛フリーはんだに変えて実装信頼性を調べることではないかと考えます。

乱暴な言い回しですが、実装する者の立場では、はんだから鉛がなくなって一番問題になるのは、基板と部品の接合信頼性ではないかと考えます。つまり、はんだの組成が変わって接合信頼性がどうなったかを明確にすることが、鉛フリーはんだ実装に切り替える第一歩ではないかということです。

はんだを鉛フリーに変えて直面する問題点は、「ぬれ性」と「接合性（機械的な強度）」に「実装時の温度プロファイル」です。

つまり、部品側の対応はともかく、実装側で前出の表でいうところの「PHASE1」をクリアすることまでは準備だけでも進めることはできるのです。

よく、ゾーンの多い炉や窒素雰囲気対応の炉に変更することで鉛フリー実装に対応する方が多いようですが、温度プロファイルについては簡単にはゆきません。JEITAでは、推奨プロファイルを公にしてはいますが、このプロファイルがどの炉にも適応するものではありません。

つまり、温度プロファイルは、実装各社が自ら確立する必要があるのです。そのためには、はんだを変えて実装後の品質がどう変わるかを評価する必要があります。

最後になりますが、最近知られてきた現象で、フロー用はんだ槽の損傷の問題があります。製品の評価はもちろんですが、設備面での対応も検討してゆく必要があります。弊社では、ソルダーソリューション（株）様と提携して、お客様の鉛フリー実装への対応のお手伝いをさせていただきますので、どうぞお気軽にお問い合わせください。

鉛フリー実装の必要性

前回のコラムでお話しました通り、人体に有害な物質については製品に含まれないようにしましょう、という方向性は世界的な流れになってきました。京都議定書が発効したことも記憶に新しいことと思います。日本でも、有害物質の排出については従来から法律による規制がありましたが、排出の規制にとどまらず、製品から鉛を無くすべきだという意見が出てきて、それが法令化されるに至りました。

EUでは、WEEE/RoHS指令が2006年7月に発効となります。これに対応できない商品は、発効期日以降はEUで販売できなくなることになっています。

RoHS指令とは、鉛(Pb)・水銀(Hg)・カドミウム(Cd)・六価クロム(Cr+6)・ポリ臭化ビフェニール(PBB)・ポリ臭化ディフェニール(PBDEの6種類の物質の使用を禁止するもので、違反した場合は罰則もあります。

WEEE指令とは、電気製品の廃棄に関する規定で、2003年のEUで公布されたものです。「設計・製造」「分別回収」「処理」「再生」などが網羅されています。わが国の「リサイクル法」に近いものです。

中国でも同様な取り組みが進んでおり、EUと同じ期日が設定されています。

話はさかのぼりますが、2001年にオランダ税関で、日本製の電子機器の部品からカドミウムが検出され、陸揚げを拒否されるという事件が起こりました。その会社では、部品の全数取り替えをすることで対応しました。つまり、先送りは許されない情勢になりつつあると言えるかも知れません。

ただ、日本ではリサイクルの回収率が高い、各物質を禁止する科学的根拠が薄い、品質の劣化を招くリスクがある、などの理由から、取り組みに温度差があることも確かです。4月19日付けの日経新聞では、日本でもっとも対応が進んでいると思われていた松下電器産業でさえ、今年3月までの対応目標を半年ずらすことを余儀なくされたことが報じられました。更に、EU版のRoHS指令は、各国が国内の法律を制定により規制が始まること、技術的な基準はTAC（技術適合化委員会）で調整中であること、（つまり基準が変わる可能性がある）などの理由から、EUの域内でも準備が遅れ気味に見えるようです。

具体的には、WEEE/RoHS指令による、国内法の公布期限(2004年8月13日)までに公布を完了したのは、フィンランド・ギリシャなど数カ国で、イタリア・ドイツ・フランスでは今年度中、イギリスは2005年度第1四半期に公布の予定となっています。

くれぐれも誤解のないようにお願いしたいのは、取り組みに温度差があっても、鉛削減の流れに変化はない、ということです。鉛フリー化への日程に前後はあるかもしれませんが、ISO管理の一環として、有害物質を含まない旨の証明が必要になると思われます。具体的には、鉛フリーで実装した機器の品質保証はもちろん、試験データの管理なども必要になるでしょう。試験に必要なデータの詳細については後の項で説明いたしますのでご期待ください。

最後に余談ですが、鉛フリー実装にあたっては一部の試験項目で、試験時間だけで2ヶ月前後かかるものがあります。信頼性評価については相応の時間がかかるので、鉛フリー実装への対応を検討されておられるお客様は、できるだけ早いうちにご相談ください。

鉛フリーって何でしょう

簡単に言えば、「鉛が入っていない」という意味です。「鉛レス」とか表現する場合もあるようです。

もともと、鉛という金属は、扱いやすい上に資源として豊富でコストが低く、電子機器にも早くから使われています。私自身を含めて、はんだこてを使った経験のある方は多いのではないでしょうか？

ところが、鉛が神経障害を引き起こしたり発ガン性が指摘されていることも周知の通りです。余談ですが、ベートーベンが鉛中毒であったという説もあります。ガソリンにも使われていたことは、ご記憶の方も多いと思います。

では、鉛を電子部品から無くしましょう。ことはそう簡単なことではありません（そんなことは言われなくてもわかる！？）。

冒頭で申し上げたとおり、鉛は電子部品にはうってつけの材料であったため、簡単には代替できるものがありません。融点・粘性・剛性など、同じ特性のものを探すのは至難の業です。基板と部品を接合するはんだ以外にも、部品のリード線や内部の材料にも鉛が使われている場合が多く、それらを含めて鉛を取り除かないと本当の意味での鉛フリーとは言えません。

また、はんだを変えると融点も変わるため、基板との接合後の信頼性確保も欠かせません。基板への部品の搭載（「実装」と呼びます）にあたり、はんだの温度管理（プロファイリング）も簡単ではありません。

一般論ですが、従来の共晶はんだで実装する場合、はんだが溶けはじめる温度からリフロー温度のピークまでは30～40℃の温度差がありました。180℃の融点を持つ共晶はんだでは、220℃強のピーク温度で実装すればよかったのですが、鉛フリーはんだでは融点が共晶はんだより高いため、リフロー温度を上げる必要があります。しかし、部品の耐熱保証温度もそれほど高いわけではなく、簡単にリフローの温度を上げるわけにはいきません。生産設備も従来のものが使えない場合があります。設備の更新にあたって、社屋の建て増しや建て直しを考えておられる実装会社もあり設備投資もばかになりません。鉛フリーはんだの価格自体も共晶はんだより高くなるようです。あるお客様が希少金属を含むはんだを使ったところ、いままでの7倍の値段であったという話もありました。

品質を落とすことなく鉛を無くしてゆくためにどうしたらよいか、言葉では簡単ですが、実践することは簡単ではありません。

はじめに

当社はプリント回路板の製造のご依頼をいただいて納品していますが、最近、いろいろなお客様から「鉛フリー対応をしてください」とのご依頼をいただくようになりました。

当社では、当社と同じ「（財）大阪産業振興機構」様より「テイクオフ２１」の認定をお持ちの「ソルダーソリューション（株）」様のご支援により、鉛フリーはんだを使ったプリント回路板を納品していますが、想定以上に鉛フリー実装に必要なノウハウが求められていることもあって、鉛フリー実装に関する情報を配信してゆこうと考えました。

私たちは、お客様での実際のニーズに即した情報を皆様に提案し、少しでもこのサイトをご覧になる方々のお役に立ちたいと考えています。